厚板2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊縫組織及性能研究

孫世烜，李延民，李 超，馬建波，古海輪

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

厚板2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊縫組織及性能研究

孫世烜，李延民，李 超，馬建波，古海輪

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

采用攪拌頭轉(zhuǎn)速800r/min、焊接速度150mm/min、攪拌頭傾角2.5°的工藝參數(shù)焊接了10mm厚2195鋁鋰合金，并對(duì)接頭組織及性能開展分析研究。結(jié)果表明：厚板2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)及軸肩影響區(qū)四個(gè)區(qū)域，且焊核中心也有明顯的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)；接頭抗拉強(qiáng)度及延伸率分別達(dá)到母材的70%與60%，力學(xué)性能良好；接頭各區(qū)域受攪拌作用及熱循環(huán)影響的不同，晶粒組織尺寸存在差異，焊核區(qū)硬度最低，熱機(jī)影響區(qū)次之，母材區(qū)硬度最大；接頭斷口以等軸韌窩為主，屬于典型韌性斷裂。

2195鋁鋰合金；攪拌摩擦焊；微觀組織；力學(xué)性能

0 前言

鋰是世界上最輕的金屬元素，把鋰作為合金元素加到金屬鋰中，就形成了鋁鋰合金。鋁鋰合金雖有比強(qiáng)度高、同等體積下重量輕、超塑性和良好的低溫性能等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于富含活潑金屬鋰元素，采用熱輸入量較高的熔焊工藝焊接鋁鋰合金，就極易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋和接頭軟化等缺陷[1]。因此，突破鋁鋰合金連接技術(shù)，對(duì)擴(kuò)大鋁鋰合金在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用和推動(dòng)航天產(chǎn)品輕量化發(fā)展具有十分重要的意義。

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新的連接方法，它是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入被焊工件，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為摩擦熱而實(shí)現(xiàn)固相連接[2]。采用攪拌摩擦焊工藝焊接鋁鋰合金，一方面旋轉(zhuǎn)的軸肩及攪拌針能夠破壞并打碎待焊件表面氧化膜，解決因氧化膜帶來的焊接工藝難題，另一方面焊接過程中不添加焊絲，金屬只發(fā)生塑性流動(dòng)而不熔化，避免了鋰元素的揮發(fā)及燒損，不會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾雜、熱裂紋及接頭軟化現(xiàn)象，焊縫殘余應(yīng)力低，力學(xué)性能良好[3～5]。

目前，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)薄板鋁鋰合金攪拌摩擦焊的研究較多，對(duì)厚板鋁鋰合金攪拌摩擦焊工藝、組織及性能研究涉及較少。本文采用攪拌摩擦焊焊接10mm厚2195鋁鋰合金，對(duì)力學(xué)性能、微觀組織、顯微硬度及斷口形貌開展分析研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用的是沿長(zhǎng)度方向軋制的10mm厚2195 T8態(tài)鋁鋰合金，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 2195鋁鋰合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）

表2 2195鋁鋰合金常溫力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

用剪床將板材剪切成300mm×160mm×10mm的試片，裝配前先用刮刀刮削待焊接邊去除氧化膜，然后再用風(fēng)動(dòng)鋼絲刷清理、打磨，最后用酒精擦拭后待用。

試驗(yàn)使用的是上海拓璞數(shù)控科技有限公司研制的三軸攪拌摩擦焊設(shè)備，攪拌頭為自行設(shè)計(jì)制造，攪拌頭各參數(shù)指標(biāo)見表3。

表3 攪拌頭參數(shù)

將試片安裝在工作臺(tái)的剛性墊板上，用夾具夾緊后進(jìn)行攪拌摩擦焊接，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)完成后，用相控陣及X光檢測(cè)焊縫內(nèi)部質(zhì)量；用線切割沿焊接方向取5個(gè)子樣，在CMT5105型拉伸試驗(yàn)機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，獲取力學(xué)性能；取1個(gè)子樣做金相，使用Olympus-PMG3觀察焊縫宏觀形貌及微觀組織，顯微硬度在HVS-1000顯微硬度計(jì)上沿接頭寬度方向上測(cè)量；用掃描電鏡（SEM）觀察斷口的微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 2195鋁鋰合金焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量

2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫外觀如圖1所示。

圖1 2195鋁鋰合金焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量

從圖1中可以看出，攪拌摩擦焊接的10mm厚2195鋁鋰合金焊縫成型美觀，飛邊適度且集中在后退側(cè)，沒有出現(xiàn)熱裂紋缺陷。相控陣及X光檢測(cè)焊縫內(nèi)部沒有孔洞及隧道型缺陷，焊縫內(nèi)外質(zhì)量均良好，焊接參數(shù)匹配合理。

2.2 2195鋁鋰合金接頭組織分析

圖2為10mm厚2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫宏觀形貌。

圖2 10mm厚2195鋁鋰合金接頭宏觀形貌

由圖2可以看出：2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊縫成上大下小的梯形狀，也可以分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)以及軸肩影響區(qū)[6]。由于攪拌針上有螺紋，一方面增大了攪拌針與材料接觸的面積，使攪拌效果得到了提升，另一方面將機(jī)械能更多的轉(zhuǎn)化為熱能，讓材料充分塑化。焊接接頭中心的焊核區(qū)在經(jīng)歷攪拌針強(qiáng)烈的攪拌和反復(fù)的熱循環(huán)作用下，形成了一系列同心“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，而且離焊縫中心越近，“洋蔥環(huán)”形狀就越明顯。這種特殊的形貌反映出2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊過程中的在“熱-機(jī)”共同作用下的塑化金屬流動(dòng)的復(fù)雜性。焊核兩側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)雖然沒有直接經(jīng)受攪拌針的攪拌作用，但熱循環(huán)及攪拌力使得攪拌針前進(jìn)側(cè)及后退側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)組織呈現(xiàn)出向軸肩方向偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，受“熱-機(jī)”影響程度不如焊核區(qū)強(qiáng)。軸肩影響區(qū)組織在攪拌頭反復(fù)鍛壓及熱循環(huán)作用下被打散，宏觀狀態(tài)下看不出明顯的方向性。

圖3為10mm厚2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織微觀形貌。

圖3 10mm厚2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織

圖3a為母材微觀組織，為軋制方向的板條狀形態(tài)，圖中黑色物質(zhì)為強(qiáng)化相。圖3b為焊核區(qū)微觀組織，與圖3a相比，焊核區(qū)組織為細(xì)小的等軸晶粒，分布均勻，沒有方向性。這是因?yàn)樵搮^(qū)域組織受到攪拌頭強(qiáng)烈的攪拌作用，高溫?zé)嵫h(huán)使得組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而再結(jié)晶的晶粒還來不及長(zhǎng)大就又被攪拌頭打碎，在“成長(zhǎng)—打碎”反復(fù)循環(huán)過程中，與母材相比，焊核區(qū)的組織就變得非常細(xì)小，并且強(qiáng)化相也相對(duì)分布均勻。形成的這些細(xì)小晶粒對(duì)提高焊縫強(qiáng)度起到關(guān)鍵作用[7]。圖3c和3d分別為接頭前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)微觀形貌。從圖中看出，前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)靠近焊核區(qū)，寬度較窄，與焊核區(qū)有明顯的分界面。該區(qū)域內(nèi)的組織都出現(xiàn)向上偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，這說明熱機(jī)影響區(qū)組織雖然沒有直接受到攪拌針的攪拌作用，但是焊接熱循環(huán)讓該區(qū)域組織易于流動(dòng)，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)作用下生產(chǎn)了較大的彎曲變形，形成拉長(zhǎng)的組織。

2.3 2195鋁鋰合金接頭力學(xué)性能分析

從表5中可以看出，接頭的抗拉強(qiáng)度為395MPa～410 MPa，延伸率均值為4%，分別達(dá)到母材接頭強(qiáng)度系數(shù)的70%和60%。

表5 試片接頭力學(xué)性能

接頭的斷裂位置主要發(fā)生在熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)的交界處。這是因?yàn)樵搮^(qū)域組織沒有受到攪拌針強(qiáng)烈的攪拌作用，只受到了焊接過程中高溫?zé)嵫h(huán)的影響，因此晶粒不發(fā)生變形，在回復(fù)反應(yīng)作用下變得粗大，降低了接頭的力學(xué)性能。

2.4 2195鋁鋰合金接頭顯微硬度分析

以焊縫中心為起點(diǎn)，左右兩邊每隔1mm取一個(gè)點(diǎn)測(cè)量接頭的顯微硬度，最終獲得的硬度值如圖4所示。

圖4 接頭硬度分布

從圖4可知，焊縫中心區(qū)的硬度最低，熱機(jī)影響區(qū)次之，母材區(qū)硬度最高。這可能是因?yàn)槟覆臎]有受到攪拌頭的作用，強(qiáng)化相較多，且分布均勻，增加了組織的硬度。結(jié)合圖3分析，相對(duì)于母材區(qū)組織，焊核晶粒及強(qiáng)化相均被攪拌頭的攪拌作用打碎、打散，形成細(xì)小等軸晶，增加了組織的致密性，但缺少強(qiáng)化相彌散，因此硬度較低。

2.5 2195鋁鋰合金接頭斷口形貌分析

2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭斷裂部位出現(xiàn)了明顯的韌窩和撕裂棱，如圖5所示，屬于典型的韌性斷裂，說明接頭質(zhì)量良好。這是因?yàn)樵跀嚢桀^軸肩、攪拌針的共同作用下，焊縫組織晶粒被碾碎、細(xì)化，形成組織致密的細(xì)小等軸晶組織，接頭均勻性及一致性良好，在拉應(yīng)力作用下易形成等軸韌窩狀形貌。

圖5 斷口微觀形貌

3 小結(jié)

（1）10mm厚2195鋁鋰合金在攪拌頭轉(zhuǎn)速800r/min、傾角2.5°、焊接速度150mm/min工藝參數(shù)下，能夠形成質(zhì)量良好的焊縫，接頭力學(xué)性能滿足使用要求。

（2）接頭各區(qū)域受到攪拌頭攪拌作用及焊接熱循環(huán)影響的不同，其組織形貌存在顯著差異：焊核區(qū)有“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)小，組織致密；熱機(jī)影響區(qū)受到強(qiáng)烈的焊接熱循環(huán)影響及較弱的攪拌作用，晶粒比焊核區(qū)粗大，且呈現(xiàn)一定的方向性；熱影響區(qū)僅受到焊接熱循環(huán)影響，組織粗化現(xiàn)象嚴(yán)重。

（3）焊核區(qū)硬度最低，熱機(jī)影響區(qū)次之，母材區(qū)硬度最高。

（4）接頭斷裂在熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)的交界部位，經(jīng)掃描分析，斷口以等軸韌窩為主，屬于典型的韌性斷裂。

[1] 王永，胡捷，胡國(guó)平. 可焊鋁鋰合金焊接研究現(xiàn)狀[J].有色金屬，54(1):16-20

[2] 王國(guó)慶，趙衍華. 鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接[M]. 中國(guó)宇航出版社，2010，10

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[6] 王大勇，馮吉才，王攀峰. 鋁鋰合金攪拌摩擦焊接研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，95，23(3):369-372

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（編輯：張為賓）

Research on Structure and Property of Friction Stir Weldings for 2195 Al-Li Plate

SUN Shi-xuan, LI Yan-min, LI Chao, MA Jian-bo,GU Hai-lun
(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 10076,China)

Stirring head with rotation speed of 800r/min,welding speed of 150mm/min, dip angle of 2.5°for stirring head were used for welding 2195 Al-Li alloy with thickness of 10mm. And microstructure and property of welded joints were analyzed and researched in the paper.

2195 Al-Li alloy; friction stir welding; microstructure; property

TG146.21，TG457.14

A

1005-4898(2014)04-0015-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.04

孫世烜（1985-），男，湖北人，助理工程師，材料加工工程專業(yè)碩士研究生。

2014-05-26